CN112490648B - 一种微带线的超宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微带线的超宽带天线，包括上介质基板、辐射贴片、开路线、短路线、接地面、下介质基板、直介质基板、隔离墙、双曲线微带巴伦馈线和理想波端口，其中，辐射贴片覆在上介质基板的下表面；所述接地面覆在下介质基板的上表面；短路线覆在直介质基板的后表面；开路线覆在直介质基板的前表面；双曲线微带巴伦馈线覆在直介质基板的前后两个表面；所述隔离墙垂直辐射贴片的末端，在上介质基板和下介质基板之间；所述理想波端口设置在双曲线微带巴伦馈线的下方。本发明首先进行天线与短路线并联，来减小频带内的电抗值的大小；其次与开路线串联，进一步的减小频带内的电抗值的大小，最后通过双曲线微带巴伦馈线来匹配电阻达到目的。

Description

一种微带线的超宽带天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种微带线的超宽带天线。
背景技术
随着科学进步的不断发展，电子通讯系统的不断完善和发展，对天线的传输能力也提出新的要求，其具有宽频带，宽角度扫描，良好的极化性能的天线成为当前研究的热点。微带天线由于具有结构简单、重量轻、小型化、宽频带、易与微带馈电网络连接等优点，现在广泛的应用于现代通信。近年来，随着无线通讯产品的普及，超宽带技术的发展。人们对天线的带宽提出了越来越高的要求。自从2002年，联邦通讯委员会通过决议允许把3.1-10.6GHz频段应用于商业领域，具有高数据传输速率、成本低、低功耗和抗干扰能力强的超宽带通信系统的到了快速的发展。超宽带天线的设计，需要天线具有良好的阻抗匹配带宽。天线的小型化是对整个超宽带天线领域的发展起着重要的作用同时也是一个发展趋势，尤其是对通信系统起着至关重要的作用。传统的宽带相控阵设计方法是将具有宽带特性的阵列单元隔离设计，然后放入阵列中。由于阵列单元之间的相互耦合，单元通常在放入阵列后以至于变化太大。因此有很多的研究员在研究设计超宽带相控阵列的新方法。在现代卫星所需的独立天线数量上的不断增加，导致对于相控阵天线的尺寸，体积等方面的要求更高，使得很多的研究员也对这些苛刻的要求发起了挑战。
传统的超宽带天线设计方法是设计具有宽带特性的单元，例如对数周期天线，螺旋天线等，他们单个单元往往具有较宽的带宽，然后将这些单元进行组阵，通过减小互耦效应或互耦补偿等方法尽量减少单元方向图的恶化，然而这种方法在设计过程中存在两大难点。其一，随着扫描角度的扩大，单元之间存在很强的互耦效应，整个天线的性能要比单个单元下降很多。其二，这种设计出来的天线比较笨重，必须在天线外部覆盖天线罩，以满足运载工具对外形的要求。传统的超宽带天线对于宽扫描角度这个问题，很多都采用了金属棒对扫描盲点问题的去除，但是没有在所需要的频带内把盲点完全移除。
超宽带天线最主要特点是频带宽。频带宽会导致阻抗跨度变大，频率较高的问题就相继出现，而我们用窄带天线的阻抗匹配的完全不能解决超宽带天线的问题。研究者们已经研究出了一系列的超宽带天线阻抗匹配的办法，但是有些方法对工艺加工方面要求较高。
满足以上要求的天线的一个不错的选择是Vivaldi阵列。但是，Vivaldi阵列的单元不是平面结构，而是具有较高轮廓的3维结构。为了解决以上两点，研究学者们也提出了一些方法，如通过增加天线单元之间的间距以减小其互耦作用，但同时为了防止天线在高频处出现栅瓣，单元间距不能超过一个波长，就这就限制了天线单元间距的展宽，在天线的低频处由于其互耦效应非常强烈，阵列天线增益下降很快，因此天线设计者们开始探索新的超宽带设计方法，目前主流的超宽带设计方法主要有两种，一种为紧耦合偶极子超宽带阵列天线，一种为连臂式超宽带阵列天线。
发明内容
鉴于上述提出的缺陷，本发明的目的在于提出一种超宽带阵列天线的扫描盲点和阻抗匹配的方法，通过隔离墙解决阵列天线扫描盲点实现超宽带阵列天线无盲点，再通过双曲线微带巴伦与短路线的并联，再与开路线的串联的共同作用下进行阻抗的匹配，无其他介质的加入，实线天线的小型化、宽频带的特点。
为达到上述目的，本发明提供一种微带线的超宽带天线的扫描盲点和阻抗匹配的方法，首先解决扫描盲点的问题，利用隔离墙可以增加双曲线微带巴伦与隔壁辐射单元的之间的距离，使得频带内的盲点移除到频带外。其次对阻抗匹配适用于调节超宽带天线的宽频带内的阻抗达到所涉及天线需要的阻抗值。
我们首先进行的是天线与短路线并联，来减小频带内的电抗值的大小。其次与开路线串联，进一步的减小频带内的电抗值的大小，最后通过双曲线微带巴伦来匹配电阻达到目的。上述所提到，双曲线微带巴伦拥有一个特殊性，就是可以作为平衡与不平衡的转换器。技术方案为：
一种微带线的超宽带天线，包括上介质基板、辐射贴片、开路线、短路线、接地面、下介质基板、直介质基板、隔离墙、双曲线微带巴伦馈线和理想波端口，其中，
所述辐射贴片覆在上介质基板的下表面；所述接地面覆在下介质基板的上表面；所述短路线覆在直介质基板的后表面；所述开路线覆在直介质基板的前表面；所述双曲线微带巴伦馈线覆在直介质基板的前后两个表面；所述隔离墙垂直辐射贴片的末端，在上介质基板和下介质基板之间；所述理想波端口设置在双曲线微带巴伦馈线的下方。
优选地，所述辐射贴片设置两个为一对，为金属材质的薄片状，一对辐射贴片的外侧两端分别连接隔离墙的上端。
优选地，所述隔离墙为金属材质的薄片状。
优选地，所述接地面为金属材质的薄片状，隔离墙与接地面的上表面连接，再与辐射贴片形成环路结构。
优选地，所述短路线为金属材质的薄片状，短路线的上端与辐射贴片连接，短路线的下端与接地面的上表面连接。
优选地，所述开路线为金属材质的薄片状，与双曲线微带巴伦馈线的平衡端的上端连接。
优选地，所述双曲线微带巴伦馈线为金属材质的薄片状，双曲线微带巴伦馈线的不平衡端的上部连接辐射贴片。
优选地，所述开路线覆在直介质基板的前表面，短路线作为开路线的辐射地。
与现有技术相比，本发明首先是宽扫描角度，我们利用隔离墙把天线的扫描盲点问题给解决，上述的表1显示出了加隔离墙和不加隔离墙的区别，直观的显示出了在有效的频带内，盲点移除了带外。其次是天线的阻抗匹配问题，本发明利用了天线与短路线的并联，减小有效频带内的电抗值，天线与开路线的串联问题，进一步优化了有效频带内的电抗值，同时也使得电阻值在有效频带内变得更小，利用了双曲线微带巴伦的特性使天线的阻抗达到我们理想的话的目标。最后就是天线的小型化，我们在阻抗匹配的过程中，短路线、开路线以及双曲线微带巴伦共用一块介质基板，减少介质基板的使用；开路线把短路线作为辐射地，减少金属地板的使用，使天线更小型化。
附图说明
图1为本发明实施例的微带线的超宽带天线的结构示意图；
图2为本发明实施例的微带线的超宽带天线的双曲线微带巴伦馈线的结构示意图；
图3为本发明实施例的微带线的超宽带天线的辐射贴片的形状示意图；
图4为本发明实施例的微带线的超宽带天线的天线并联短路线后仿真结果图；
图5为本发明实施例的微带线的超宽带天线的天线并联短路线后再串联开路线的仿真结果图；
图6为本发明实施例的微带线的超宽带天线的天线并联短路线且串联开路线后再加双曲线微带巴伦的仿真结果图；
图7为本发明实施例的微带线的超宽带天线在5GHz频点的辐射方向图；
图8为本发明实施例的微带线的超宽带天线在7GHz频点的辐射方向图；
图9为本发明实施例的微带线的超宽带天线的驻波比示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
参见图1，所示为本发明实施例的微带线的超宽带天线的结构示意图，参见图2，为双曲线微带巴伦馈线的结构示意图，包括上介质基板1、辐射贴片2、开路线7、短路线6、接地面4、下介质基板3、直介质基板5、隔离墙9、双曲线微带巴伦馈线8和理想波端口10，其中，
辐射贴片2覆在上介质基板1的下表面；接地面4覆在下介质基板3的上表面；短路线6覆在直介质基板5的后表面；开路线7覆在直介质基板5的前表面；双曲线微带巴伦馈线8覆在直介质基板5的前后两个表面；隔离墙9垂直辐射贴片2的末端，在上介质基板1和下介质基板3之间；理想波端口10设置在双曲线微带巴伦馈线8的下方。
图3为辐射贴片2的形状示意图，辐射贴片2设置两个为一对，为金属材质的薄片状，一对辐射贴片2的外侧两端分别连接隔离墙9的上端，具体的大小a＝7mm、b＝3.4mm、c＝0.05mm、Width＝12.5mm。
隔离墙9为金属材质的薄片状；接地面4为金属材质的薄片状，隔离墙9与接地面4的上表面连接，再与辐射贴片2形成环路结构；短路线6为金属材质的薄片状，短路线6的上端与辐射贴片2连接，短路线6的下端与接地面4连接；开路线7为金属材质的薄片状，与双曲线微带巴伦馈线8的平衡端81的上端连接；双曲线微带巴伦馈线8为金属材质的薄片状，双曲线微带巴伦馈线8的不平衡端82的上部连接辐射贴片2；开路线7覆在直介质基板5的前表面，短路线6作为开路线7的辐射地。
在整个阻抗的匹配过程，我们要有一个目标，该目标就是减小电抗值的大小，使得更多的能量辐射出去，最后进行电阻值的匹配。一种微带线的超宽带天线的阻抗匹配分为四个步骤：
1.在辐射贴片2与接地面4之间加上隔离墙9的仿真阻抗结果作为第一步；
2.利用短路线6的阻抗特性在中心频点的两端与天线的谐振频点两端的特性正好相反，使得天线的阻抗进一步的优化作为第二步；
3.利用开路线7的阻抗特性在中心频点的两端与天线的谐振频点两端的特性恰好相反，使得天线的电抗部分更进一步的优化作为第三步；
4.利用平衡-不平衡的双曲线微带巴伦的阻抗特性与天线的阻抗特性相结合，进行不断调节双曲线微带巴伦的参数，使得最终天线的阻抗达到理想的效果作为第四步。
参见图4所示，可以发现天线的电抗在只有加隔离墙9的情况下在高频有一个谐振频点，但是这个谐振频点波动不是很大，首先我们考虑的是把这个谐振频点设为短路线6的谐振频点，我们可以计算出短路线6的四分之一波长。通过不断的仿真，我们通过图发现采取的短路线6的谐振频点会高于假设短路线6的谐振频点。天线在加上隔离墙9和实际采用的短路线6后，我们会发现谐振频点往低频移动。
参见图5所示，可以发现在天线在并联短路线6后的仿真结果出现了两个谐振频点。小于第一个谐振频点时，此时的天线呈现感性(其值接近于200)；大于第一个谐振频点且小于第二个谐振频点时，此时的天线呈现容性(其值接近于20)，这时我们会想串联开路线7，使得天线在第一个谐振频点附近呈现感性和容性相均衡。首先假设第一个谐振频点位开路线7的谐振频点，我们可以计算出开路线7的四分之一波长，通过不断地仿真，天线实际采用的开路线7的长度与理论值有所区别，在第一个谐振频点附近所呈现的感性和容性行均衡一些，这时会利于进行下一步的阻抗匹配。
图6为天线并联短路线6且串联开路线7后再加双曲线微带巴伦的仿真结果图，同时也是本发明微带线的超宽带天线的阻抗示意图。参见图6所示，此时超宽带天线的结构大小以及宽带范围已经确定，加入双曲线微带巴伦后，电抗值已经被匹配到0的附近，电阻值也被匹配到了50欧姆附近，已经实现整个带宽内的理想目标。
图7和图8是选取了天线在5GHz和7GHz两个频点的辐射方向图。天线的辐射方向图是衡量天线性能的重要图形，可以从天线方向图中观察到天线的一些参数。通过图7、8，可以观察到在远场处没有大的畸变，说明天线的性能还是良好的，同时也说明了匹配电路实现了平衡-不平衡的转化。
图9是天线的驻波比示意图。驻波比也是衡量一个天线性能的重要参数，驻波比的值越靠近1越好。在这里驻波比是衡量在阻抗匹配好坏的重要指标。参见图9所示，可以直观的看出驻波比(VSWR)<2.1，，只有在7.3-8.1GHz这个频段是2<VSWR<2.1。天线的最理想状态下的驻波比是小于2的，从此可以看出我们的天线可以基本满足天线的要求。
表1给出天线加隔离墙9与不加隔离墙9扫描盲点的对比。通过表1我们可以直观的观察到，添加隔离墙9可以使频带内的扫描盲点全部移除到带外，使得天线在频带内的扫描角度变得更宽，天线的性能变得更好。
表1 E面不同角度扫描盲点结果图
Figure BDA0002764749590000071
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微带线的超宽带天线，其特征在于，包括上介质基板、辐射贴片、开路线、短路线、接地面、下介质基板、直介质基板、隔离墙、双曲线微带巴伦馈线和理想波端口，其中，
所述辐射贴片覆在上介质基板的下表面；所述接地面覆在下介质基板的上表面；所述短路线覆在直介质基板的后表面；所述开路线覆在直介质基板的前表面；所述双曲线微带巴伦馈线覆在直介质基板的前后两个表面；所述隔离墙垂直辐射贴片的末端，在上介质基板和下介质基板之间；所述理想波端口设置在双曲线微带巴伦馈线的下方；
所述接地面为金属材质的薄片状，隔离墙与接地面的上表面连接，再与辐射贴片形成环路结构。
2.根据权利要求1所述的微带线的超宽带天线，其特征在于，所述辐射贴片设置两个为一对，为金属材质的薄片状，一对辐射贴片的外侧两端分别连接隔离墙的上端。
3.根据权利要求1所述的微带线的超宽带天线，其特征在于，所述隔离墙为金属材质的薄片状。
4.根据权利要求1所述的微带线的超宽带天线，其特征在于，所述短路线为金属材质的薄片状，短路线的上端与辐射贴片连接，短路线的下端与接地面连接。
5.根据权利要求1所述的微带线的超宽带天线，其特征在于，所述开路线为金属材质的薄片状，与双曲线微带巴伦馈线的平衡端的上端连接。
6.根据权利要求1所述的微带线的超宽带天线，其特征在于，所述双曲线微带巴伦馈线为金属材质的薄片状，双曲线微带巴伦馈线的不平衡端的上部连接辐射贴片。
7.根据权利要求1所述的微带线的超宽带天线，其特征在于，所述开路线覆在直介质基板的前表面，短路线作为开路线的辐射地。
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Assignee: Zhejiang fushiyun Intelligent Technology Co.,Ltd.

Assignor: HANGZHOU DIANZI University

Contract record no.: X2023330000345

Denomination of invention: An ultra wideband antenna with Microstrip

Granted publication date: 20220913

License type: Common License

Record date: 20230626

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